Nghiên cứu ứng dụng logic mờ để tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng trên xe lai

• Tác giả: Huỳnh Quốc Việt
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng trên xe lai
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP
• 1.1. Động cơ 1NZ-FXE
• 1.2. Hộp số Hybrid
• 1.3. MG1 và MG2
• 1.4. Bộ phân chia công suất (Power-Split Device)
• 1.5. Bộ chuyển đổi điện
• 1.6. Chiến thuật điều khiển
• 1.7. Điều khiển phanh tái sinh
• 1.8. Giảm tốc của xe và hệ số bám của mặt đường
• 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG XE LAI KIỂU HỖN HỢP
• 2.1. Thông số xe mô phỏng
• 2.2. Mô hình mô phỏng
• 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. Đáp ứng yêu cầu của người lái
• 3.2. Suất tiêu hao nhiên liệu
• 3.3. Duy trì trạng thái hoạt động của ắc qui
• 3.4. Kết quả đạt được

I. Logic Mờ và Hệ Thống Quản Lý Năng Lượng Xe Lai

Phần này tập trung vào khái niệm logic mờ và vai trò của nó trong quản lý năng lượng của xe lai (xe hybrid). Logic mờ (fuzzy logic) là một phương pháp lý thuyết tập hợp mờ, cho phép mô hình hóa và xử lý thông tin không chính xác. Ứng dụng logic mờ trong hệ thống quản lý năng lượng xe lai mang lại khả năng tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu và năng lượng điện. Nghiên cứu này sử dụng thuật toán logic mờ để điều khiển sự phối hợp giữa động cơ đốt trong (ICE) và mô-tơ điện, nhằm đạt được hiệu suất năng lượng tối ưu. Một trong những mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải. Việc áp dụng logic mờ trong điều khiển động cơ xe lai cho phép hệ thống phản hồi linh hoạt hơn với các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng.

1.1 Mô Hình Hóa Hệ Thống Logic Mờ

Phần này trình bày chi tiết về việc xây dựng mô hình logic mờ cho hệ thống quản lý năng lượng xe lai. Mô hình logic mờ được thiết kế để xử lý các biến số đầu vào như tốc độ xe, tải trọng, và trạng thái sạc pin (SOC - State Of Charge). Các biến số đầu ra là mô-men xoắn của động cơ đốt trong (ICE) và mô-tơ điện. Việc thiết kế mô hình logic mờ bao gồm việc xác định các hàm thành viên, quy tắc suy luận và phương pháp khử mờ. Mô hình toán học được sử dụng để mô tả sự tương tác giữa các biến số. Phân tích hệ thống được thực hiện để đánh giá hiệu quả của mô hình logic mờ. Kết quả mô phỏng được sử dụng để kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của mô hình. Ứng dụng logic mờ trong kỹ thuật này cho phép điều khiển chính xác và hiệu quả hệ thống quản lý năng lượng.

1.2 Ứng Dụng Logic Mờ Trong Điều Khiển Xe Lai

Phần này tập trung vào việc ứng dụng logic mờ cụ thể trong điều khiển xe lai. Điều khiển logic mờ được sử dụng để tối ưu hóa việc phân phối mô-men xoắn giữa ICE và mô-tơ điện, sao cho hiệu suất năng lượng được tối đa hóa. Điều khiển động cơ được thiết kế để đảm bảo sự chuyển đổi mượt mà giữa các chế độ hoạt động khác nhau của xe. Fuzzy logic control giúp điều chỉnh mức tiêu thụ nhiên liệu và mức tiêu thụ điện năng tùy thuộc vào điều kiện lái xe. Chiến lược quản lý năng lượng được tối ưu hóa thông qua việc sử dụng logic mờ, dẫn đến sự giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. An toàn năng lượng cũng được đảm bảo thông qua việc giám sát và điều chỉnh quản lý pin xe lai. Phát triển bền vững là một trong những mục tiêu quan trọng của ứng dụng logic mờ trong lĩnh vực này.

II. Tối Ưu Hóa Quản Lý Năng Lượng và Mô Phỏng

Phần này tập trung vào khía cạnh tối ưu hóa quản lý năng lượng trên xe lai thông qua mô phỏng. Mô phỏng hệ thống được thực hiện sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, tích hợp với hệ thống logic mờ. Mô hình toán học chính xác giúp mô phỏng quá trình hoạt động của xe hybrid, bao gồm ICE, mô-tơ điện, pin và hệ thống truyền động. Phân tích hệ thống được thực hiện để xác định các tham số tối ưu cho quản lý năng lượng. Mục tiêu chính là đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất, giảm tiêu thụ nhiên liệu, và kéo dài tuổi thọ pin. Mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các chiến lược quản lý năng lượng khác nhau trước khi áp dụng thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với các phương pháp truyền thống.

2.1 Thiết Kế và Tối Ưu Hóa Chiến Lược Điều Khiển

Phần này tập trung vào thiết kế và tối ưu hóa chiến lược điều khiển cho hệ thống quản lý năng lượng. Các thuật toán tối ưu hóa được sử dụng để tìm kiếm các tham số tối ưu cho mô hình logic mờ. Mục tiêu tối ưu hóa là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng hiệu suất năng lượng. Quản lý pin xe lai cũng được tối ưu hóa để đảm bảo tuổi thọ pin và hiệu suất sạc/xả. Phân tích nhạy cảm được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của các tham số khác nhau đến hiệu quả của hệ thống. Kết quả tối ưu hóa được trình bày và so sánh với các phương pháp khác. Công nghệ xe lai được cải tiến đáng kể nhờ việc tối ưu hóa này. Giảm khí thải là một kết quả đáng kể của quá trình này.

2.2 Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả

Phần này tập trung vào phân tích kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của việc ứng dụng logic mờ trong tối ưu hóa quản lý năng lượng xe lai. Dữ liệu mô phỏng được thu thập và phân tích để đánh giá hiệu quả của chiến lược điều khiển được thiết kế. Hiệu suất năng lượng được tính toán và so sánh với các phương pháp truyền thống. Tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải được xem xét như những chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả. Phân tích cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất năng lượng và tiết kiệm nhiên liệu. Kết quả này chứng minh tiềm năng của việc ứng dụng logic mờ trong quản lý năng lượng xe lai. Phát triển bền vững trong ngành công nghiệp ô tô được thúc đẩy bởi những kết quả này.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ ô tô trên thế giới, xe lai (Hybrid Electric Vehicle - HEV) đang trở thành xu hướng quan trọng nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, mặc dù ngành công nghiệp ô tô phát triển, nhưng các nghiên cứu về tối ưu hóa điều khiển xe lai còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào khai thác, bảo trì mà chưa có nhiều công trình tính toán, mô phỏng để nâng cao hiệu suất vận hành. Đề tài nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng trên xe lai nhằm cải thiện hiệu suất làm việc và tiết kiệm nhiên liệu.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển phân phối lực kéo, lực phanh bằng phương pháp logic mờ, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để tối ưu hóa quá trình quản lý năng lượng trên xe lai kiểu hỗn hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xe lai Toyota Prius 2004 với thời gian thực hiện 12 tháng, từ tháng 5/2018 đến tháng 5/2019 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc rút ngắn thời gian thiết kế, giảm công sức và chi phí trong phát triển bộ điều khiển xe lai, đồng thời nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng phanh và phân phối công suất, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

1. Mô hình hệ thống hybrid hỗn hợp: Bao gồm các thành phần như động cơ đốt trong 1NZ-FXE, mô tơ điện MG1 và MG2, bộ phân chia công suất (Power Split Device - PSD) với cấu trúc bánh răng hành tinh, hộp số hybrid, ắc quy nickel-kim loại hydrua và các bộ chuyển đổi điện DC-DC, AC. Mô hình này cho phép phân phối công suất linh hoạt giữa động cơ và mô tơ điện, tối ưu hóa hiệu suất vận hành.

2. Logic mờ (Fuzzy Logic): Được áp dụng trong thiết kế bộ điều khiển phân phối lực kéo và lực phanh nhằm xử lý các tín hiệu đầu vào không chính xác hoặc mơ hồ như mô men yêu cầu, trạng thái sạc ắc quy (SOC), tốc độ xe. Logic mờ giúp tạo ra các chiến thuật điều khiển mềm dẻo, tối ưu hóa hoạt động của các thành phần xe lai trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: trạng thái sạc ắc quy (SOC), mô men kéo, mô men phanh tái sinh, bộ điều khiển phân phối lực kéo, bộ điều khiển phân phối lực phanh, chu trình lái xe tiêu chuẩn (ECE-15, NEDC, UDDS).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật của xe Toyota Prius 2004, các chu trình lái xe tiêu chuẩn quốc tế, dữ liệu mô phỏng từ Matlab/Simulink.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình hóa toán học và mô phỏng số để xây dựng hệ thống quản lý năng lượng trên xe lai. Bộ điều khiển phân phối lực kéo và lực phanh được thiết kế dựa trên thuật toán logic mờ, với các hàm thành phần được chuẩn hóa trong phạm vi [0,1].

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên thông số kỹ thuật thực tế của xe Prius 2004, không sử dụng mẫu thực nghiệm vật lý nhưng mô phỏng trên các chu trình lái xe tiêu chuẩn nhằm đánh giá hiệu quả điều khiển.

• Timeline nghiên cứu: 12 tháng, từ tháng 5/2018 đến tháng 5/2019, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả mô phỏng và đáp ứng yêu cầu người lái: Vận tốc xe mô phỏng gần như trùng khớp với vận tốc mong muốn trong chu trình NEDC, thể hiện qua đồ thị vận tốc xe thực tế và mong muốn với sai số rất nhỏ, đảm bảo tính chính xác của mô hình.

2. Tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu: So sánh với mô hình không sử dụng logic mờ (ADVISOR), bộ điều khiển logic mờ giảm tiêu hao nhiên liệu lần lượt 31,1% (ECE-15), 27,11% (NEDC) và 19,96% (UDDS). Thời gian tăng tốc từ 0-100 km/h được cải thiện từ 16,2 giây xuống còn 11,2 giây.

3. Duy trì trạng thái sạc ắc quy (SOC) ổn định: SOC của ắc quy luôn duy trì trong phạm vi tối ưu từ 50% đến 70% trong suốt quá trình vận hành, đảm bảo hiệu suất nạp/xả và tuổi thọ ắc quy.

4. Phân phối lực phanh tái sinh hiệu quả: Bộ điều khiển phanh logic mờ tối đa hóa năng lượng thu hồi trong quá trình phanh, đồng thời đảm bảo an toàn khi phân phối lực phanh giữa bánh trước và bánh sau theo tiêu chuẩn ECE.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc ứng dụng logic mờ trong điều khiển phân phối lực kéo và lực phanh giúp xe lai vận hành trong vùng hiệu suất tối ưu của các thành phần chính như động cơ đốt trong, mô tơ điện và ắc quy. Việc duy trì SOC trong vùng hoạt động tối ưu giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy và tăng hiệu quả thu hồi năng lượng.

So với các nghiên cứu trước đây, đề tài đã thành công trong việc áp dụng công cụ Matlab/Simulink kết hợp logic mờ để giải quyết bài toán điều khiển phức tạp trên xe lai, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Các biểu đồ mô phỏng như đồ thị vận tốc xe, tỷ lệ mô men phanh tái sinh, điểm hoạt động của động cơ và mô tơ trên bản đồ hiệu suất minh họa rõ ràng sự tối ưu hóa đạt được.

Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp rút ngắn thời gian thiết kế bộ điều khiển, giảm chi phí phát triển và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trên xe lai, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ ô tô xanh tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển logic mờ trong sản xuất xe lai: Các nhà sản xuất ô tô nên áp dụng chiến thuật điều khiển logic mờ để tối ưu hóa phân phối lực kéo và lực phanh, nhằm nâng cao hiệu suất nhiên liệu và khả năng thu hồi năng lượng. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các công ty ô tô và trung tâm nghiên cứu phát triển.

2. Phát triển phòng thí nghiệm mô phỏng và thử nghiệm xe lai: Đầu tư xây dựng phòng thí nghiệm chuyên sâu về mô phỏng và thử nghiệm điều khiển xe lai, hỗ trợ nghiên cứu và đào tạo kỹ sư. Mục tiêu trong 3 năm tới, do các trường đại học kỹ thuật và viện nghiên cứu thực hiện.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư điều khiển xe lai: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về logic mờ, mô phỏng Matlab/Simulink và kỹ thuật điều khiển xe lai cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên. Thời gian triển khai liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho các loại xe lai khác: Dựa trên kết quả nghiên cứu xe Toyota Prius, tiếp tục phát triển các chiến thuật điều khiển tối ưu cho các dòng xe lai khác, bao gồm xe tải và xe du lịch đa dạng. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực ô tô và điều khiển tự động: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế bộ điều khiển logic mờ, giúp phát triển các giải pháp tối ưu cho xe lai.

2. Các trường đại học và viện nghiên cứu kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích cho giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống truyền động hybrid, mô phỏng và điều khiển fuzzy logic.

3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển xe lai: Hỗ trợ trong việc áp dụng công nghệ điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí phát triển sản phẩm.

4. Sinh viên ngành cơ khí, điện tử và công nghệ ô tô: Giúp hiểu rõ về cấu trúc hệ thống hybrid, kỹ thuật mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển, phục vụ cho học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Logic mờ là gì và tại sao được áp dụng trong điều khiển xe lai?
   Logic mờ là phương pháp xử lý thông tin không chính xác hoặc mơ hồ, phù hợp với các hệ thống phức tạp như xe lai. Nó giúp thiết kế bộ điều khiển mềm dẻo, tối ưu hóa phân phối công suất và lực phanh trong các điều kiện vận hành đa dạng.

2. Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Matlab/Simulink được dùng để mô hình hóa, mô phỏng hệ thống quản lý năng lượng và thiết kế bộ điều khiển logic mờ, giúp đánh giá hiệu quả điều khiển trước khi áp dụng thực tế.

3. Làm thế nào để duy trì trạng thái sạc ắc quy (SOC) trong vùng tối ưu?
   Bộ điều khiển logic mờ sử dụng tín hiệu SOC làm đầu vào để điều chỉnh phân phối lực kéo và lực phanh, giữ SOC trong khoảng 50-70%, đảm bảo hiệu suất nạp/xả và tuổi thọ ắc quy.

4. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại xe lai khác không?
   Có, mô hình và chiến thuật điều khiển được xây dựng trên cơ sở xe Toyota Prius có thể mở rộng và điều chỉnh cho các loại xe lai khác, bao gồm xe du lịch và xe thương mại.

5. Lợi ích thực tiễn của việc áp dụng logic mờ trong điều khiển xe lai là gì?
   Giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu, tăng khả năng thu hồi năng lượng phanh, giảm thời gian thiết kế bộ điều khiển, nâng cao độ ổn định và đáp ứng yêu cầu người lái trong nhiều điều kiện vận hành.

Kết luận

• Đề tài đã thành công trong việc ứng dụng logic mờ kết hợp Matlab/Simulink để thiết kế bộ điều khiển phân phối lực kéo và lực phanh tối ưu cho xe lai kiểu hỗn hợp.
• Bộ điều khiển mới giúp xe vận hành trong vùng hiệu suất tối ưu, giảm tiêu hao nhiên liệu từ 20% đến hơn 30% tùy chu trình lái xe.
• Trạng thái sạc ắc quy được duy trì ổn định trong phạm vi tối ưu, đảm bảo hiệu quả thu hồi năng lượng và tuổi thọ ắc quy.
• Kết quả nghiên cứu có khả năng ứng dụng thực tiễn cao, hỗ trợ phát triển công nghệ điều khiển xe lai tại Việt Nam.
• Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu, phát triển phòng thí nghiệm và đào tạo chuyên sâu để nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng trong ngành ô tô.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai ứng dụng bộ điều khiển logic mờ trong sản xuất xe lai, đồng thời đầu tư phát triển hạ tầng nghiên cứu và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao.